Bezdrátová verze Wireless M-Bus definovaná standardem EN 13757-4:2005 specifikuje bezdrátový přenos dat primárně mezi vodoměry, elektroměry a měřiči tepla, případně koncentrátory, s centrálním databázovým, vyhodnocovacím či řídicím systémem. Prakticky na úrovni fyzické vrstvy OSI modelu protokolu M-BUS realizuje místo sériového přenosu po zkrouceném páru bezdrátový přenos vzduchem. A to i v rámci plně síťové komunikace více jednotek. 

Historie sběrnice Wireless M-Bus

Nejdříve trošku z krátké historie sběrnice Wireless M-Bus. Kořeny této bezdrátové komunikace jsou samozřejmě v klasické drátové variantě M-BUS. Na základě potřeby vzniku specializované komunikační směrnice pro vzdálené měření a odečítání stavu měřičů byl na začátku roku založen nový evropský komunikační standard M-BUS s označením EN 13757 "Communication system for meters and remote reading of meters", tedy komunikační systém pro měřiče a vzdálené čtení měřičů. V současné době se skládá z následujících částí:

• EN13757-1:2002 Data exchange (Výměna dat)
• EN13757-2:2004 Physical and link layer (Fyzická a linková vrstva)
• EN13757-3:2004 Dedicated application layer (Aplikační vrstva)

O této základní specifikaci sběrnice M-BUS se můžete podrobněji dočíst v článku "M-BUS (Meter-Bus) - základní popis komunikačního protokolu".

Poslední roky však v mnoha aplikacích začal klasickou drátovou komunikaci vytlačovat bezdrátový radiový přenos dat a stává se stále populárnější, hlavně z důvodu snadnější instalace a případného rozšíření. Na tento trend standard M-BUS (EN13757) zareagoval v roce 2005 rozšířením o protokol EN13757-4:2005 Wireless meter readout, tedy v současné době populárněji označovaný jako Wireless M-BUS, vzhledem k drátové verzi zahrnuje specifikaci fyzické a datové linkové hladiny OSI modelu. Na něj pak na vyšších hladinách přímo navazuje aplikační vrstva (EN13757-3:2004 Dedicated application layer), která je již shodná s klasickým M-BUSem.

Bližší popis protokolu Wireless M-BUS

Wireless M-BUS specifikuje měřící zařízení (meter device/Slave/klient) a tzv. další zařízení. To obvykle představuje koncentrátor fungující jako centrální jednotka (Server/Master). Konkrétně protokol EN13757-4 popisuje fyzickou spojovací (datovou linkovou) komunikační vrstvu, která definuje:

• Parametry radiového přenosu
• Formát rámce paketů
• Přístupové metody

Režimy radiového přenosu

V prvním případě je definováno několik režimů označených jako S, T a R, představujících 3 různé přenosové rychlosti, které se dále dělí na režim 1 a 2, což značí jednosměrný či obousměrný přenos dat – viz níže uvedená tabulka:

Tabulka režimů komunikace Wireless M-BUS

Zatímco jednosměrná komunikace v režimu T1 se například hodí pro přenos informací od měřičů tepla a vodoměrů, obousměrný režim T2 též umožňuje mimo čtení stavu měřičů a přenosu naměřených dat snímačů i zpětně ovládat různé akční členy (ventily), časovou synchronizaci a distribuci šifrovacích klíčů. Mimo jiné právě režim T1/T2 byl vyvinutý pro systémy s častým přenosem. V opačném případě lze použít pomalejší režim modulů, například S. Ten nejlépe slouží v takových systémech, kde stačí malý objem informací pravidelně přenášet např. jednou za den (např. pravidelný přenos stavu vodoměru bytů do pevné centrální jednotky v domě). Ale v aplikacích velmi častým přenosem, kde se přenášejí data několikrát za hodinu nebo častěji a nebo kde se nárazově přenáší velký objem dat (mobilní odečet stavů měřičů), je výhodnější právě režim T, kde rychlý přenos dat rychlostí 100 kb/s se vyznačuje velmi krátkým komunikačním časem a tedy i mimo jiné malou spotřebu el. energie vysílačem. Dvoucestná komunikace T2 je také velmi vhodná pro bateriově napájené měřiče, přičemž přijímač je aktivní ještě cca 2 až 3 ms po přenosu dat. Pouze pokud koncentrátor potvrdí zaslanou zprávu v tomto časové úseku, bude přijímač dále přijímat další příkazy.

Režim R2 je spíše vhodný pro speciální případy tam, kde je nutné přenášet jen velmi malé množství dat a informací na velkou vzdálenost, protože komunikační rozhraní  vykazují největší citlivost. Zde můžete jako v jediném systému si ručně zvolit 1 z 10 komunikačních kanálů, narozdíl od režimů S a T je kanál již předdefinovaný a automaticky se zvolí při zvolení režimu S nebo T.

Radiová komunikace

Bezdrátová komunikace Wireless M-BUS fyzicky probíhá ve 12 kanálech v bezplatném vysílacím pásmu ISM okolo frekvence 868 MHz (2 kanály 868.3 a 868.95 MHz jsou využívaný režimu S a T, 10 uživatelem volitelných kanálů 868.03 + n x 0.06 MHz v režimu R2), přičemž každý z výše uvedených režimů vyžaduje různé požadavky. Těmi například jsou specifikovaný kanál, přesnost frekvence, toleranci přenosové rychlosti atd. Velmi dobrá je stabilita frekvence až 27 let (dle údaje výrobce). V případě použití čtvrtvlné antény (délky 8,2 cm), tak na přímou viditelnost vysílací a přijímacího modulu je komunikační dosah 500 až 600 m.

Princip komunikace

Jak již bylo zmíněno výše, komunikace má hvězdicovitou struktury, kdy několik měřících jednotek / snímačů přenáší svá naměřená data jedné centrální jednotce, obvykle tvořené koncentrátorem. Ten tedy obvykle slouží pro příjem a shromaždování dat z několika měřících míst, z dále uvedených důvodů nikdy neinicializuje (nezahajuje) vzájemnou komunikaci. Pracuje tedy jako server (Master), tzn. že jen stále naslouchá a čeká na navázání komunikace měřící jednotkou a jí inicializovaný přenos dat. Ta tedy pracuje jako klient (Slave). V případě nastavené obousměrné komunikace přechází měřič/snímač do přijímacího režimu pouze po krátký čas jím navázané komunikaci. Pouze v tomto momentu může koncentrátor vyslat nějaké jednotce řídící data. Časování je rozdílné pro různé režimy a je přesně specifikováno ve standardu.

Adresování

Adresování ve Wireless M-BUS sběrnici je převzato z klasického drátové verze M-BUSu. Zde však pouze klientské jednotky (měřiče/snímače) mají přidělenou adresu a využívají ji jak při příjmu, tak při vysílání. Každý koncentrátor by měl obsahovat tabulku adres, se kterými může komunikovat, resp. od kterých má přijímat data. Tato tabulka se obvykle vytváří automaticky během instalace / registrování nové jednotky do sítě. Samozřejmě je možné se obejít i bez ní, ale pak lze přijímat všechny snímače či měřiče v dosahu. Toho se dá využít jen v malých sítích. Ve většině aplikací však Wireless M-BUS asi bude spíše alternativní technologií ke klasické drátové sběrnicí M-BUS. Ale někdy může být výhodné tyto dvě verze kombinovat prostřednictvím tzv. mostů (bridge) - viz obrázky níže.

Formát paketů bezdrátového přenosu

Moduly pracující jako radiové modemy splňující standard Wireless M-BUS se chovají následovně: Nadřazené aplikace (například M-BUS měřící jednotka či koncentrátor) realizující aplikační vrstvu standardu M-BUS vyšlou svá data do RF modemu v podobě následující zprávy:

Komunikační modul pracující jako modem dle požadavků standardu Wireless M-BUS automaticky přidá následující pole:

• Řídicí pole C (Command field)
• Označení výrobce ManID (Manufacture ID)
• Unikátní komunikační adresy založené parametrech uložených v paměti modulu (Address)
• Případně se ještě na závěr přidá informace o síle přijímaného signálu RSSI (Received Signal Strength Indicator)

Takovýto paket se pak zašifruje (obvykle algoritmem AES-128) a přenáší se vzduchem. V případě, že se realizuje jen bezdrátové tunelování přenosu mezi dvěma Wireless M-BUS modemy, je povolen i režim bez zasílání adresy a jí přidružených informacích o měřící jednotce. Rámec se pak výrazně zjednoduší a vypadá takto:

Obsah pole APP_LAYER je pak již dán aplikační hladinou definovanou ve standardu M-BUS, je tedy shodný s obsahem pro klasický drátový M-BUS přenos. Komunikace mezi měřící jednotkou a RF modemem či mezi koncentrátorem a RF modem obvykle probíhá prostřednictvím nějakého drátového přenosu, např. přenos po RS-232, RS-485 či USB.

Napájení a spotřeba

Další důležitou vlastností je možnost bateriového napájení měřicích zařízení. V případě bezdrátové komunikace je výhodné například měřiče tepla nebo vodoměry napájet jen bateriově a tím eliminovat jakoukoliv nutnost pokládání kabelů. To ale znamená velmi omezenou spotřebu elektrické energie, aby baterie vydržely co nejdéle, alespoň několik let. V současné době v případě napájení modulu lze dosáhnout životnost na jednu baterii až 20 let. Aby to však bylo možné, řízení přenosu dat musí co nejčastěji přecházet do nízkopříkonového stavu (sleep mode) a vysílat data jen v nutných případech v co nejkratších časových slotech. Proto také centrální zařízení (koncentrátor), který obvykle slouží pro příjem a shromaždování dat z několika měřících míst, nikdy nesmí inicializovat vzájemnou komunikaci.

Například bateriově napájený plynoměr přenáší jen jednou za hodinu zašifrovaný datový packet, včetně časové známky, ID číslo zařízení, stav čtení a stav ventilu. Vysílací proud modulu je 37 mA, zatímco spotřeba přijímače je jen 22 mA, přičemž spotřeba během „spaní“ je max. 1 mikroA (typicky 0,1 mikroA). V případě režimu T2 je aktivní doba vysíláni 11 ms, přičemž na vyhodnocení snímač požaduje 4 ms a přidává k průměrné spotřebě proud 0,14 mikroA. V případě přechodu do úsporného režimu, který spotřebovává vždy jen max. 0,1 mikroA je výdrž baterie prakticky dána její životností.

Závěr

Komunikační síť M-BUS byla vyvinuta jako úzce specializovaná datová síť hlavně pro oblast měření spotřeby a MaR (Měření a Regulace). Její výhody, tj. žádné náročné pokládky kabelů a stavební úpravy, představují v mnoha aplikacích velké zjednodušení řízení celé aplikace či sběru naměřených dat. 

Odkazy:

• Podrobný popis M-BUS standardu v angličtině a němčině - http://www.m-bus.com, http://www.m-bus.de
• Článek o průmyslové sběrnici M-BUS: http://automatizace.hw.cz/komunikacni-protokol-m-bus-popis-a-struktura
• PDF dokument o návrhu M-BUS komunikace elektroměru - Konstrukce odečtu elektroměru přes M-BUS